'Немой код' нуклеотидов, а не аминокислот, определяет функции жизненно важных белков
Шесть форм белка актина в организме человека выполняют важные функции. Две из них, β-актин и γ-актин, почти идентичны, различаясь лишь четырьмя аминокислотами. Однако эти белки-близнецы выполняют разные роли. Как это возможно, оставалось загадкой для биологов.
Новое исследование под руководством Анны Кашиной из Пенсильванского университета указывает на удивительный ответ: различные функции этих белков определяются не их аминокислотной последовательностью, а их генетическим кодом.
«Мы называем это "немым кодом". Наши данные показывают, что части генов, которые мы считали "молчащими", на самом деле кодируют очень важную функциональную информацию», — говорит Анна Кашина.
Исследователи обнаружили, что «молчащие» различия в последовательности нуклеотидов, по-видимому, влияют на плотность рибосом — молекулярных машин, которые переводят РНК в белки. Такие различия могут позволять каждой форме актина выполнять свою роль в клетке.
Работа опубликована в журнале eLife.
Актин — самый распространённый белок в большинстве клеток. Раньше учёные считали разные формы функционально избыточными. Однако теперь известно, что они не взаимозаменяемы: они локализуются в разных частях клетки и встраиваются в разные части цитоскелета. Последствия их отсутствия также различны:
- Мыши, лишённые β-актина, погибают на ранней стадии эмбрионального развития.
- Мыши, лишённые γ-актина, обычно меньше нормы и глухи, но могут дожить до взрослого возраста.
Чтобы проверить гипотезу о том, что функциональные различия заложены в генах, а не в аминокислотной последовательности, учёные использовали систему CRISPR/Cas-9 для редактирования генов.
Хотя два изоформа актина различаются всего четырьмя аминокислотами, их мРНК отличаются почти на 13% из-за «молчащих» нуклеотидных замен. Изменив всего пять нуклеотидов в гене β-актина, исследователи заставили его производить белок с аминокислотной последовательностью γ-актина. Отличался только «немой» нуклеотидный код.
Результаты экспериментов:
- Мыши с отредактированным геном β-актина не производили белок β-актин, но были полностью здоровы и жизнеспособны, как если бы у них были нормальные пропорции β- и γ-актина.
- Частичная замена гена γ-актина (три из четырёх аминокислот) также привела к появлению нормальных и здоровых мышей, лишённых белка γ-актин.
- γ-актин, произведённый из отредактированного гена β-актина, формировал нормальный цитоскелет и позволял клеткам нормально мигрировать.
«Если важна только нуклеотидная последовательность, то мышам должно быть всё равно, какой белок у них есть. И мышам было всё равно», — отмечает Кашина.
Исследователи обнаружили механизм, объясняющий, как последовательность ДНК может влиять на функцию белка: плотность рибосом на РНК β-актина более чем в тысячу раз выше, чем на РНК γ-актина. Все шесть генов актина имели различия в плотности рибосом.
«Это говорит о том, что β-актин может превращаться в белок, возможно, в тысячу раз быстрее, чем γ-актин», — говорит Кашина.
Анализ показал, что во многих семействах почти идентичных белков, кодируемых разными генами (у мышей, рыбок данио и человека), также наблюдаются значительные вариации в плотности рибосом.
«Мы считаем, что эта форма функциональной регуляции является глобальным явлением», — заключает Кашина.